Prof. Dr. Harald Lesch

Sternwarte der LMU München

&

Hochschule für Philosophie (SJ)

Die Geschichte der

Natur

Die Natur schafft ewig neue Gestalten; was da ist, war noch nie, was da war – kommt nicht wieder – alles ist neu und doch immer das Alte. J.W. Goethe

1800

GEOLOGIE

BIOLOGIE

ASTRONOMIE

HISTORISCHE NATURWISSENSCHAFTEN

STATIK

SUBSTANZ

RAUM

DYNAMIK

PROZESS

ZEIT

1800

GEOLOGIE

BIOLOGIE

ASTRONOMIE

ENTWICKLUNG => ENTSTEHUNG

EVOLUTION => ENTSTEHUNG

EXPANSION => ENTSTEHUNG

STATIK

SUBSTANZ

RAUM

DYNAMIK

PROZESS

ZEIT

1800

GEOLOGIE

BIOLOGIE

ASTRONOMIE

PLATTENTEKTONIK PLANETENPHYSIK

MUTATION & SELEKTION & FITNESS

KOSMOLOGIE & ASTROPHYSIK

STATIK

SUBSTANZ

RAUM

DYNAMIK

PROZESS

ZEIT

1800

GEOLOGIE

BIOLOGIE

ASTRONOMIE

INSTRUMENTE

UNSICHTBARE STRAHLUNG

ELEKTRODYNAMIK

THERMODYNAMIK

MECHANIK

STATIK

SUBSTANZ

RAUM

DYNAMIK

PROZESS

ZEIT

1800

GEOLOGIE

BIOLOGIE

ASTRONOMIE

INSTRUMENTE

UNSICHTBARE STRAHLUNG

1800 IR durch Herrschel1801 UV durch Ritter

STATIK

SUBSTANZ

RAUM

DYNAMIK

PROZESS

ZEIT

1824: Fourier : Berechnung der Oberflächentemperatur => TREIBHAUSEFFEKT

“So also steigt die Temperatur gerade durch das Dazwischenstellen der Atmosphäre, da die Wärme in Lichtform (GH i.e. solare Strahlung) leichter in Luft eindringt als wenn sie sich erstmal in Form der “chaleur obscure” (GH i.e. IR Strahlung) befindet.

ORT - BEKANNT

GRÖSSE – UNBEKANNT

ENTSTEHUNG – UNBEKANNT

ENTWICKLUNG – UNBEKANNT

WW MIT UNIVERSUM – UNBEKANNT

ALTER - UNBEKANNT

ENTSTEHUNG – UNBEKANNT

ENTWICKLUNG - UNBEKANNT

Das Programm des Naturalismus

• Er fordert und ein entwirft ein kosmisches Gesamtbild, ein „Weltbild“.

• Er schreibt auch dem Menschen einen bestimmten Platz im Universum zu.

Bei der Erforschung der Natur ist die Methode der Erfahrungswissenschaften allen anderen überlegen

Theorie ↔ Erfahrung

Jede empirische Hypothese muss an der Erfahrung scheitern können

Beobachtungen – Messungen – gezielte Experimente

„Wir irren uns empor“ (G. Vollmer)

Alle realen Systeme - einschließlich des Kosmos als Ganzen –unterliegen der Evolution.

Evolutionärer Naturalismus!

Jede Entwicklung kann einen Anfang und ein Ende haben.

Evolution in einem sehr allgemeinen Sinne.

SELBSTORGANISATION

Bildung von komplexen Strukturen „von unten“

Verwirklichung des naturalistischen Programms

DIE GESCHICHTE DER NATUR &

DIE WISSENSCHAFTENUrknall

Hintergrundstrahlung

Galaxien/Sterne

PlanetensystemErdeDNS

Leben

Bewusstsein

Mensch/

Sprache

Gesellschaft

Kultur Religion

Moral

Elementar-

teilchen

Quantentheorie

Relativitätstheorie

Chemie/MolekularbiologieBiologie

Neurowissenschaften

KognitionswissenschaftenSoziobiologie

Die Teile & das Ganze

15

Die größte Geschichte aller Zeiten …

Kosmologie ist Innenarchitektur des Kosmos – kein Davor und Außerhalb

Die Naturgesetze gelten überall im Universum!

Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik

frühes Universum: Temperatur 1015 K

Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

alle Teilchen

kollidieren unkontrolliert

gezielte, kontrollierte

einzelne Kollisionen

und deren Aufzeichnung

Teilchenbeschleuniger:

Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

Die größte Geschichte aller Zeiten …

Selbstentfaltung der Materie !

Vom Einfachen zum Komplexen – vom Urknall zum Gehirn !

Fluktuationsgenerator

Fluktuationsverstärker

Rotverschiebung =>Galaxien entfernen sich => Expansion des Universums =>Urknall

Expansion und Strukturbildung

So entstehen die Galaxien und Galaxienhaufen und Superhaufen …

Von der Milchstraße zum Virgo-Galaxienhaufen

M51 – eine Spiralgalaxie

Sterne und Staubwolken

Entstehung

der Sterne

HST 2004

heiße O-, B-Sterne

Dunkelwolke

verhüllte Protosterne

Dunkelwolke

junger

Stern

Aus einer Wolke werden Sterne

Zuerst, etwas einfaches: Sterne Druck balanziert Schwerkraft

Die Sonne

Massendefekt

Bei der Fusion zweier Teilchen zu einem dritten wird Bindungsenergie

in Form von Strahlung frei

E=mc2

Wasserstoffbrennen

in der Sonne

Massendefekt bei

Kernfusions-

prozessen

beträgt weniger als

1% der Masse der

Ausgangskerne

2cmE

Neutrinos aus der Sonne

Kernfusion in der Sonne:

4p 4He + 2e+ + 2ne + 27 MeV Energieauf der Erde: 1011 solare Neutrinos / cm2 und Sekunde

Bestätigung (1995)

Kamiokande

(Sonne live! im

„Neutrinolicht“)

Nukleosynthese

Entwicklungszeiten für einen 15 M

Stern

Verschm.

Produkt Zeit Temperatur

H 4He 107 Jahre 4 106 K

4He 12Ceinige 106

Jahre1 108 K

12C16O, 20Ne,24Mg, 4He

1000 Jahre 6 108 K

20Ne + 16O, 24Mg wenige Jahre 109 K

16O 28Si, 32S Ein jahr 2 109 K

28Si + 56Fe Tage 3 109 K

56Fe Neutronen< eine

Sekunde> 3 109 K

Elementspedition Supernova – Just in Time …

Kosmischer Kreislauf

Aus einer Scheibe werden Klumpen - Gasriesen

Sternentstehung – Orionnebel

Der Orionnebel M42, 1500 Lichtjahre entfernt,

enthält etwa 700 junge Sterne (IR Bild) und

mindestens 150 protostellare Wolken. Einige

verdampfen in der intensiven UV-Strahlung der

vier hellen Sterne, die das „Trapez“ bilden. Bsp. 5

zeigt die Seitenansicht einer Akkretionsscheibe.

1AU (Astronomical unit) ist dabei 149.6 Mio. km,

die mittlere Entfernung Erde – Sonne. Quelle: HST

IR

ProtoplanetareScheiben

Sind hell im Infraroten, weil

der kalte Staub strahlt

HL Tau, ALMA (mm)

HL Tau, HST

Größenvergleich zwischen der Sonne und den Planeten

Die Sonne scheint nicht nur, sie bläst auch.

Meteoriten

Hinweise auf die

Bausteine der

Erde

Eisenmeteorit (Kerne der Planetesimale)

Chondrite (Silikate & flüchtige Anteile)

Von kleinen Brocken zuFelsenplaneten

Simulationen von J. Chambers

Painting by James Garry

SO ENTSTAND DIE ERDE UND DER MOND

D/H Verhältnis

"The Origin and Evolution of Oceans" (Pinti, Ch. 3, "Lectures in Astrobiology I", 2005)

Einschläge von Asteroiden mit einem Wassereintrag von 200% der heutigen Wassermasse

Einschlag eines Planetesimals (Mars-Größe) der die Oberflächen-temperatur stark (2300 K) erhöht und viele Silikate und Wasser verdampft

Entstehung der Ozeane

Entstehung der Ozeane

Hoher atmosphärischer Druck, da nur Wasserdampf und CO

2

vorliegt

Starker Treibhauseffekt hält die Oberfläche der Erde flüssig, solange wie der Energiefluss aus dem Erdinneren mehr als 150 W/m2 beträgt

Entstehung der Ozeane

Sobald der Energiefluss unter 150 W/m2 sinkt kühlt die Erde sehr schnell aus

Nach 2-3 Mio. Jahre liegt die Oberflächentemperatur bei 1300 K

Wasserdampf kondensiert und binnen ca. 1000 a bilden sich Ozeane (Niederschlag ca. 7000mm/a)

Spiegel 24.2. 2014Nature Geoscience 7, 219

Spiegel 24.2. 2014Nature Geoscience 7, 219

Entstehung der Ozeane

Temperatur und Energiefluss fallen weiterhin, jedoch sind die Ozeane zu heiß um Leben zu ermöglichen

CO2

aus der Atmosphäre wird in die ozeanische Protokruste gebunden

Druck und Temperatur sinken (p=5-25 bar; T=60-110 °C)

Was ist mit dem Wasser dann passiert?

Die Ozeane bestehen zu großen Teilen aus Soda (Na

2(CO

3))

Durch die Reaktion mit Calciumchlorid entsteht Kochsalz und Calciumcarbonat (Kalk)

Dadurch werden die basischen Ozeane neutral und es steht genug Kalk zum Einbau in Schalen zu Verfügung

Im Wasser bilden sich Aminosäuren anschließend Algen, die mit Photosynthese beginnen

An model for the origin of life at a redox, PH and temperature gradientat a submarine hydrothermal vent (Martin & Russell 2002)

PROTISTEN

„Darwinian Threshold“HORIZONTAL

GENETRANSFER

Der Blick von draußen

Evolution

1

Evolution

2

Erdbeben zwischen 1960 und 1995

Plattentektonik, auf einem Lavasee in Äthopien

Kontinentalverschiebung

Bild der Wissenschaft

Natursphäre - Anthroposphäre

Das Universum als Selbstorganisationsprozess

• Zeitsymmetrische Naturgesetze (Urknall)

• Kleine Abweichungen erzeugen neue Möglichkeiten (Fluktuationen)

• Instabilitäten versuchen Ungleichgewichte auszugleichen (Bildung von Galaxien)

• Energieflüsse treiben die Welt (Kernfusion in Sternen, Strahlung)

• Kritische Situationen treiben Entscheidungen

• Im Meer der Unordnung entstehen Inseln der Ordnung (Planeten, Leben, Intelligenz)

Die Natur muß gefühlt werden, wer sie nur sieht und abstrahiert, kann … Pflanzen und Tiere zergliedern, er wird die Natur zu beschreiben wissen, ihr aber selbst ewig fremd sein.

A. von Humboldt